基于多源土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品的長江上游森林動態(tài)變化不確定性及其特征分析

朱超凡，朱求安，2，王 樂，劉 佳，瞿莉莎

（1.河海大學水文水資源學院，南京 210000；2.國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心，北京 100101）

自天然林保護工程（簡稱天保工程）實施以來，工程區(qū)森林覆蓋率呈增加趨勢，其中長江上游地區(qū)森林覆蓋率最高，其森林增加面積占全區(qū)森林增加面積的50.97%［1］。人口擴張和城市化發(fā)展導致長江中上游地區(qū)森林過度開發(fā)、亂砍濫伐、毀林開荒。森林遭受破壞會引起大面積水土流失以及環(huán)境退化，造成江湖、水庫淤積，降低了長江本來的調(diào)蓄洪能力［2］。中國在各地推出天保工程、退耕還林還草工程，長江流域的植被得到一定程度的恢復［3，4］。定期開展森林資源監(jiān)測有助于更好地評估天保工程對森林資源恢復的效益，以及為國家層面生態(tài)恢復決策建立科學基礎。

隨著衛(wèi)星遙感事業(yè)的發(fā)展，遙感制圖技術得到了跨越式發(fā)展，大批全球或區(qū)域尺度的遙感監(jiān)測產(chǎn)品紛紛出現(xiàn)［5］。這些遙感產(chǎn)品來源于不同衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)、使用不同分類系統(tǒng)與制圖技術，因此各遙感數(shù)據(jù)有自身的優(yōu)缺點［6，7］。土地利用數(shù)據(jù)對于揭示人類對環(huán)境的影響，探討環(huán)境、資源、生態(tài)的變化有重要意義。但土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品仍存在諸多問題，如空間分辨率低、精度低、不同產(chǎn)品間的一致性較差［8］。

天保工程歷時數(shù)年，早已對生態(tài)環(huán)境和人類生活產(chǎn)生重大影響。雖然現(xiàn)階段的土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品相對豐富，但不同產(chǎn)品間的森林覆蓋分布仍存在較大差異［9，10］。本研究通過對各土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行不確定性分析及精度評價，系統(tǒng)評價天保工程實施前后長江上游地區(qū)森林動態(tài)變化，揭示天保工程下長江上游地區(qū)森林變化過程。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

長江發(fā)源于青藏高原，其上游流域地形錯綜復雜，不僅受東南季風和西南季風影響，而且受青藏高原的影響，是氣候脆弱地區(qū)［11］。長江上游為湖北省宜昌市以上河段，總體涵蓋9 個省（市、區(qū)）。長江上游流域的面積達100 萬km2，介于24°46′—36°31′N、90°47′—113°31′E。流域內(nèi)水系眾多，包括金沙江、岷江、烏江、嘉陵江等河流。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究收集了來自各個國家和機構的10 種土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括中國逐年土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品（China’s annual land use/land cover datasets，CLUD-A）［12］、歐盟委員會聯(lián)合研究中心開發(fā)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品（GLC2000）［13］、歐洲航天局生產(chǎn)的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品（GlobCover）［14］、清華大學地球系統(tǒng)科學系宮鵬團隊生產(chǎn)的全球首個5 km 分辨率地表數(shù)據(jù)產(chǎn)品（GLASS-GLC）、馬里蘭大學建立的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品（UMd）［15］、美國地質(zhì)調(diào)查局為國際地圈-生物計劃建立的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品（IGBPDISCover）［16］、歐洲航天局發(fā)布的300 m 土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品（European space agency climate change initiative-land cover，ESA CCI-LC）、中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院發(fā)布的全球30m 精細地表覆蓋動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品（GLC_FCS30）［17］、國家基礎地理信息中心和多家科研所研制的數(shù)據(jù)產(chǎn)品（GlobeLand30，GL30）［18，19］、1980—2015 年中國遙感土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品（CLUDs）。

本研究以第六次全國森林資源清查結果為參考數(shù)據(jù)，評價各數(shù)據(jù)產(chǎn)品在2000 年反映的數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度。全國第六次森林資源清查于1999—2003 年開展，優(yōu)化完善了各省份連續(xù)清查體系，并且在清查期內(nèi)，采用3S（遙感、全球定位、地理信息系統(tǒng)）等新技術，大幅提高了清查的準確度并且增加了清查的調(diào)查內(nèi)容［20］。

1.3 研究方法

1.3.1 不同土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品森林分布的一致性分析 將收集到的遙感數(shù)據(jù)進行分辨率的統(tǒng)一（1 km），根據(jù)數(shù)據(jù)所在的年份（1995、2000、2005、2010 年）計算不同土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品中森林空間分布的一致性（C），計算公式如下：

式中，Vp為土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品疊加后在該柵格上分類為森林的土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品數(shù)；TND為該階段數(shù)據(jù)產(chǎn)品數(shù)量；本研究將各階段的森林空間分布一致性（C）分為4 個層次，包括低一致性（25%~50%）、中一致性（50%~75%）、高一致性（75%~100%）、完全一致性（C=100%）。

1.3.2 不同土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度驗證 本研究以全國第六次森林資源清查數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用中國省級行政邊界矢量圖，從2000 年的土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品中分別提取長江上游9 個?。ㄊ?、區(qū)）的森林面積，然后在各區(qū)域內(nèi)比較土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品森林面積與清查的森林面積，定量評價土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品在各區(qū)域的森林面積精度差異。

1.3.3 森林變化趨勢 本研究采用一元線性回歸分析來計算每個柵格的變化趨勢。計算公式如下：

式中，K為斜率；n為年數(shù)；xi表示第i年的變量值。其中，K＞0，表明該變量呈上升趨勢，K＜0，表明該變量呈下降趨勢。

2 結果與分析

2.1 不同土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品森林面積對比及一致性分析

由圖1 可知，不同土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品在森林面積及其變化趨勢上存在明顯差異。GLASS-GLC 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的森林面積最大，為5.5×105km2，整體呈上升趨勢。GLC_FCS30 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的森林面積為3.6×105~3.9×105km2，整體呈先上升后平穩(wěn)的趨勢。Globe-Land30 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的森林面積變化范圍為3.5×105~4.0×105km2，2000—2010 年呈上升趨勢，2010—2020年呈下降趨勢。CLUDs 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的森林面積基本保持在3.3×105km2，整體變化幅度較小。ESA CCILC 數(shù)據(jù)產(chǎn)品森林面積變化范圍為3.0×105~3.2×105km2，整體呈緩慢上升趨勢。CLUD-A 數(shù)據(jù)產(chǎn)品森林面積基本保持在2.0×105km2，整體變化幅度偏小。UMd 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的森林面積為3.2×105km2，同一期間IGBPDISCover 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的森林面積僅為0.8×105km2。GLC2000 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的森林面積為2.5×105km2。GlobCover 數(shù)據(jù)產(chǎn)品森林面積為2.2×105~2.6×105km2。

圖1 長江上游地區(qū)不同土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品的森林面積

根據(jù)1995、2000、2005、2010 年不同土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品的森林一致性比較結果（圖2）可知，高一致性和完全一致性的區(qū)域集中在長江上游南方區(qū)域和四川盆地外圍，而對于四川盆地，從不同土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品中提取的森林面積存在較大差異。

由表1 可知，土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品森林面積完全一致的區(qū)域占整個長江上游地區(qū)森林總面積的0.43%~4.17%，1995 年完全一致的區(qū)域占整個長江上游地區(qū)森林總面積的4.17%，2010 年完全一致的區(qū)域占整個長江上游地區(qū)森林總面積的0.43%。土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品森林高一致的區(qū)域占整個長江上游地區(qū)森林總面積的24.93%~28.78%，2005 年高一致的區(qū)域占整個長江上游地區(qū)森林總面積的28.78%，2010 年高一致的區(qū)域占整個長江上游地區(qū)森林總面積的24.93%。2000 年和2010 年因為存在大量的土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品，導致土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品的一致性相對較低。

表1 長江上游地區(qū)土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品森林一致性（單位：%）

2.2 不同土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品森林面積精度評價

表2 是2000 年的土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品與全國第六次森林資源清查在長江上游地區(qū)森林面積的比對結果。不同的土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品與全國第六次森林資源清查在森林面積上存在一定偏差。除CLUD-A數(shù)據(jù)產(chǎn)品外，其他土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)與全國第六次森林資源清查數(shù)據(jù)有較大偏差。偏差最大的土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品為GLASS-GLC，偏差為23.00%，其次為GLC_FCS30、GL30 數(shù)據(jù)產(chǎn)品，偏差分別為15.00%、11.00%。綜上，森林面積精度評價的土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品中，CLUD-A 數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度最高。

表2 不同土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品森林面積精度評價（單位：%）

2.3 森林面積變化趨勢分析

由表2 可知，研究區(qū)內(nèi)CLUD-A 數(shù)據(jù)產(chǎn)品時間序列最完整，在收集的多種土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品中森林面積精度最高，因此本研究選用CLUD-A 數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并從空間尺度上評估長江上游地區(qū)34 年間森林變化趨勢。圖3 是CLUD-A 數(shù)據(jù)產(chǎn)品在4 個時間段的森林變化趨勢，在1982—1990 年長江上游地區(qū)森林面積呈增加趨勢，并且集中在四川省境內(nèi)；1991—2000 年長江上游地區(qū)森林面積呈減少趨勢，主要變化區(qū)域仍在四川省境內(nèi)；2001—2010 年，長江上游地區(qū)森林面積整體呈增加趨勢，并且森林面積變化區(qū)域的重心開始逐步向南部傾斜；2011—2015 年，森林面積呈先增加后減少趨勢。

圖3 長江上游地區(qū)各階段森林變化趨勢

3 小結與討論

本研究結果表明，目前雖然有眾多土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品，但是不同土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品之間存在較大的精度差異。相關研究也證明了這一點，牛振國等［21］發(fā)現(xiàn)Globe Cover2009 數(shù)據(jù)產(chǎn)品在中國范圍數(shù)據(jù)總體精度只有32.46%。Giri 等［22］指出GLC2000和MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品之間不同類型數(shù)據(jù)面積相差較大，空間一致性也存在差異。目前，雖然遙感技術發(fā)展迅速，各數(shù)據(jù)產(chǎn)品總體精度較高，但是不同遙感數(shù)據(jù)之間仍存在差異。造成這種差異的原因有很多，吳文斌等［23］認為由于不同時間生產(chǎn)的遙感數(shù)據(jù)在選擇數(shù)據(jù)源和制圖技術上存在分歧，從而導致不同遙感數(shù)據(jù)在地表覆蓋高度混合的區(qū)域有更多誤差和不確定性。Gong 等［24］認為由于分類系統(tǒng)、分類技術、影像獲取時間和空間分辨率等原因，致使不同遙感數(shù)據(jù)之間存在精度差異。

自從天保工程實施以來，長江上游地區(qū)的森林逐漸得到恢復［25］。天保工程在長江上游地區(qū)主要實施的區(qū)域為西南地區(qū)，主要包括云南省、四川省、貴州省和重慶市。在天保工程實施下西南地區(qū)森林得到恢復。國政等［26］指出西南地區(qū)的森林覆蓋率由1998 年的30.49%上升至2008 年的40.2%。本研究結果也表明，在天保工程實施下長江上游地區(qū)的森林覆蓋率得到了恢復，與國政等［26］的研究結果一致。

本研究指出長江上游地區(qū)的森林覆蓋率可以分為4 個階段，第一階段是1982—1990 年，森林面積呈增加趨勢；第二個階段是1991—2000 年，森林面積呈減少趨勢；第三個階段是2001—2010 年，森林面積呈增加趨勢；第四個階段是2011—2015 年，森林面積呈減少趨勢。張亮等［27］指出長江流域植被覆蓋度在1980—2000 年呈微弱增加，在該階段，長江上游地區(qū)的諸多子流域內(nèi)植被覆蓋度都呈先增后減的趨勢。劉揚揚等［28］利用NDVI 數(shù)據(jù)對2001—2010年長江上游地區(qū)植被時空變化進行探討，結果表明，在該階段長江上游地區(qū)植被呈增加趨勢。劉祖英等［29］認為2010—2015 年是第一輪退耕還林工程末期，退耕的生態(tài)補貼不能滿足退耕農(nóng)戶的生活需要，部分地區(qū)出現(xiàn)復耕現(xiàn)象，從而導致部分地區(qū)林地退化。